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“硅基光电子技术及应用”暑期学校：面向高速光互连以及光IO的硅基光电子设计自动化

第十三届"硅基光电子技术及应用"暑期学校于2024年7月27日~8月1日在重庆举办，主办单位为联合微电子中心（CUMEC），重庆大学协办。

Whoscored中文官网陈昇祐博士应邀授课，讲题为：面向高速光互连以及光IO的硅基光电子设计自动化简介。以下是授课大纲和内容纪要：

数据中心和高性能计算的快速发展导致对更高带宽和更节能互连的需求日益增加，课堂中介绍光电共封装（CPO）、异质集成技术和硅基光电子芯片设计中使用的设计自动化工具。

光互连的发展

光互连行业经历了从可插拔收发器到光电共封装器件（CPO）的转变，满足对更高数据速率和更高能效的日益增长的需求。

这一演进过程中的关键里程碑包括：

2016年：推出100G QSFP模块
2018年：开发400G QSFP-DD和OSFP模块
2022年：部署25.6T CPO交换机并演示51.2T CPO以太网交换机

了解光电共封装器件（CPO）

CPO技术将光电子元件与交换机专用集成电路直接集成在一个封装中。与传统可插拔光学器件相比，这种方案具有以下优点：

降低功耗
降低延迟
提高信号完整性
提高带宽密度

典型的 CPO 交换机包括：

交换机 ASIC
多个 CPO 模块（例如 16 x 3.2Tbps 模块）
用于组装交换机 ASIC 和 CPO 模块的基板
外部激光源（ELS）模块
交换机主板
光纤（包括保偏光纤）

CPO模块配置

领先企业开发了多种CPO模块集成方法：

a)Marvell：使用2.5D集成与贯穿基板通孔，将电子集成电路（EIC）放置在光电子集成电路（PIC）上。

b)ASE：采用扇出封装（FOPOP）技术，将PIC放置在EIC上。

c)TSMC：使用晶圆上芯片（CoWoS）技术生产CPO模块。

案例研究： NVIDIA的GPU到交换机再到GPU的链接

NVIDIA使用CPO技术开发了高性能计算架构。主要特点包括：

1)交换机机架：

259.2Tbps数据传输率
54个3.2Tbps CPO模块
108个ELS模块
3888根光纤

2)GPU机架：

86.4Tbps数据速率
18 x 3.2Tbps CPO模块
36 x ELS模块
1296根光纤

该架构展示了CPO技术在实际应用中的可扩展性和高带宽能力。

CPO的优势

CPO技术在两个关键领域实现了重大改进：

a)数据速率：与传统可插拔光器件相比，CPO能够实现更高的数据速率，从而满足现代数据中心日益增长的带宽需求。

b)能源效率：CPO系统每传输1比特的能耗更低，从而实现更可持续、更具成本效益的数据中心运营。

硅基光电子设计自动化

为了支持CPO和硅基光电子技术的发展，先进的设计自动化工具必不可少。PIC Studio为元件、芯片和系统级设计提供统一的解决方案。

PIC Studio包括：

a） PhotoCAD：先进的布局设计软件，具有以下功能：

快速生成布局（速度比同类工具快10倍）
支持复杂的布线方案
智能光布线
电子和光电子元件集成
支持 DRC 工具，达到工艺厂流片标准

b）高级SDL（原理图驱动布局）：

根据电路原理图自动生成布局Python脚本和GDS
支持布局前和布局后仿真
简化布局与原理图（LVS）检查

c） pSim：光子电路模拟器，提供：

多模式、双向和多通道链路级验证
频域和时域仿真
电子和光电子信号处理功能
使用Python支持自定义器件库

d） pSim Plus：先进的系统级仿真器，通过以下功能扩展了pSim的功能：

支持异构集成以及异质集成仿真
支持DSP算法（如FEC、FFE）
高级光纤模型，包括非线性效应和PMD
各种调制格式（如mQAM、DP-QPSK）
BER分析、TDECQ分析和星座图绘制

e) pMaxwell：用于器件级仿真的电磁求解器

设计流程和工具集成

PIC Studio工具协同工作，创建全面的设计流程：

1.组件设计：使用pMaxwell进行器件级仿真和优化。

2.链路设计：使用Advanced SDL创建原理图。

3.布局生成：使用PhotoCAD或通过Advanced SDL的原理图驱动方法自动生成布局。

4.验证：使用pSim进行布局前和布局后仿真。

5.系统级分析：使用pSim Plus进行高级系统级仿真，包括DSP和光纤效应。

6.支持 DRC/LVS 版图验证

集成使设计人员能够无缝地在设计流程的不同阶段之间切换，从单个组件到整个系统级仿真。

结论

Co-Packaged Optics（CPO）技术是光互连领域的重大突破，为下一代数据中心和高性能计算系统带来了显著提升的带宽和能效。为了充分发挥CPO和硅基光电子技术的潜力，先进的设计自动化工具变得尤为重要，而PIC Studio套件正是强大的解决方案。

PIC Studio不仅提供全面的设计工具，还配备了开放式接口，支持灵活对接国内外第三方软件，使用户能够根据自身需求定制专属的工作流程。为了帮助用户充分利用软件的功能，Whoscored中文官网提供了试用版本和定制化培训课程，确保用户能够快速掌握并有效运用工具。

从学术研究到产业应用，PIC Studio满足了光电子领域的多元化需求。能有效缩短开发周期，降低设计成本，同时提高设计质量和可靠性。